CN103245801A - 扫描隧道纳米级精度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描隧道纳米级精度测量仪，主要由精密尺(1)、深度尺(2)、内外径尺(3)、卡尺(4)、外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)、外径卡(8)、内径卡(9)、绝缘体(10)、探针(11)、有序原子板(12)、电源(13)、开关(14)和计算机(15)组成。本发明的使用分宏观测量和微观测量两步，将它们的测量值相加就为测量结果。宏观测量精度只能达到毫米。微观测量需用探针(11)扫描有序原子板(12)上整齐均匀排列的原子，同时计算机(15)将记录被扫描原子的数目，并将该数与相应原子的直径相乘就得出微观测量的结果，其精度能够达到纳米。本发明测量精度高，操作方便，安全可靠。

Description

扫描隧道纳米级精度测量仪

技术领域

本发明涉及超精密的测量工具，尤其涉及一种扫描隧道纳米级精度测量仪，可用于测量物体的长、宽、高、孔的深度、管的内径、轴的外径等，其精度可达纳米级。

背景技术

超精密加工技术直接影响着一个国家的尖端技术与国防工业的发展。超精密测量技术是实现超精密加工的基础和先决条件之一。目前用于超精密测量的主要工具是激光干涉仪，该测量仪的精度虽然也是很高但却很难达到纳米级，并且使用极不方便，每次测量都需要对其相关部件进行细心的调整，使得超精密测量工作变得费时费力。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米级的超精密测量工具，能方便准确地测量物体的长、宽、高、轴的外径、管的内径、孔的深度等。本发明的每次使用分宏观测量和微观测量两步，将两步的测量值相加就为其测量结果。宏观测量的最小刻度是能够用眼睛清晰识别的毫米或比毫米适当大的单位；微观测量的最小刻度为被扫描原子的单个原子直径。微观测量的原理是使用扫描隧道显微镜来扫描有序原子板(12)上整齐均匀排列的原子，再用计算机(15)通过识别扫描隧道过程中产生的电流脉冲数来记录被扫描原子的个数，并将此数与该原子的直径相乘就得出此次微观测量的结果，最后再通过计算机的显示屏将该测量结果显示出来。本发明测量精度高，可达纳米级，操作方便，安全可靠。

制造有序原子板(12)的材料能够导电且其原子排列均匀有序，被探针(11)扫描的表面经过超精密加工的相关技术处理使其平整光滑，表面上如果还有个别排列杂乱的原子，还需要使用扫描隧道显微镜对其进行重新排列或迁移。探针(11)的工作端的直径非常小，小到只有几个原子甚至一个原子的大小。本发明扫描隧道纳米级精度测量仪上的精密尺(1)、深度尺(2)、内外径尺(3)与卡尺(4)之间依次地相互镶嵌在一起，使用时它们相互间只能够平行地左右两个方向来回地移动。用于微观测量的外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)和探针(11)均处在精密尺(1)上，并随精密尺(1)的移动而移动。精密尺(1)与探针(11)之间有绝缘体(10)，使得精密尺(1)、深度尺(2)、内外径尺(3)和卡尺(4)上面不带电。所述的外径卡(8)、内径卡(9)均有一对。左边的外径卡(8)和左边的内径卡(9)均固定在内外径尺(3)上；右边的外径卡(8)和右边的内径卡(9)均固定在卡尺(4)上，它们可随卡尺(4)的移动而移动。

附图说明

图1是本发明扫描隧道纳米级精度测量仪进行宏观测量已完毕，准备进行微观测量时的结构示意图。为了减少制图的数量，此处将三种宏观测量完毕时的状态均画在了一幅图上，即外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)均指在宏观测量后的最小刻度上。

图2是本发明对管的内径进行微观测量刚好完成时的结构示意图。

图3是对轴的外径或对物体的长、宽、高进行微观测量刚好完成时的结构示意图。

图4是对孔的深度进行微观测量刚好完成时的结构示意图。

具体实施方式

本发明扫描隧道纳米级精度测量仪的结构如图1所示，主要由精密尺(1)、深度尺(2)、内外径尺(3)、卡尺(4)、外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)、外径卡(8)、内径卡(9)、绝缘体(10)、探针(11)、有序原子板(12)、电源(13)、开关(14)和计算机(15)组成。使用本发明前，先将本发明扫描隧道纳米级精度测量仪放置在一个防振的系统上，并将开关(14)置于断开的状态。

需要测量某管的内径时，左移动卡尺(4)使两个内径卡(9)均伸入该管内，再右移动卡尺(4)使两个内径卡(9)卡紧该管的内壁。此时就完成了本发明扫描隧道纳米级精度测量仪对该管内径测量的宏观测量，测量值从处于内外径尺(3)上方的刻度中读取。对该管的内径进行微观测量时，先移动精密尺(1)使内经指针(6)指准内外径尺(3)上的离右边这个内径卡(9)的右边末端最近的刻度上，如图1所示。再接通开关(14)，将精密尺(1)平缓地向右移动，直到内经指针(6)指准右边这个内径卡(9)右边末端的直线段，如图2所示。在这个过程中，计算机(15)将记录探针(11)扫描过的原子数，并将此数与原子的直径相乘，最后将该乘积显示在计算机(15)的显示屏上。该乘积就为此次微观测量的测量值，再与前面的宏观测量值相加就为此次测量的测量结果。

需要测量某个轴的外径时，左右移动卡尺(4)使两个外径卡(8)将该轴卡紧。此时就完成了本发明扫描隧道纳米级精度测量仪对该轴外径的宏观测量，测量值从处于内外径尺(3)下方的刻度中读取。对轴的外径进行微观测量时，先移动精密尺(1)使外径指针(5)指准内外径尺(3)上离右边这个外径卡(8)的左边末端最近的刻度上，如图1所示。再接通开关(14)，将精密尺(1)平缓地向右移动，直到外径指针(5)指准右边这个外径卡(8)左边末端的直线段，如图3所示。在这个过程中，计算机(15)将记录探针(11)扫描过的原子数，并将此数与原子的直径相乘，最后将该乘积显示在计算机(15)的显示屏上。该乘积就为此次微观测量的测量值，再与前面的宏观测量值相加就为此次测量的测量结果。

需要测量某个孔的深度时，左移深度尺(2)使得深度尺(2)的最左端紧贴孔的底部，再将处于深度尺(2)下面的内外径尺(3)左移将其紧贴孔的外端。此时就完成了本发明扫描隧道纳米级精度测量仪对该孔深度的宏观测量，宏观测量值直接从深度尺(2)上的刻度中读取。对该孔的深度进行微观测量时，先移动精密尺(1)使深度指针(7)指准深度尺(2)上的离内外径尺(3)左端最近的刻度上，如图1所示。再接通开关(14)，将精密尺(1)平缓地向右移动，直到深度指针(7)指准紧贴孔外端的内外径尺(3)的最左端，如图4所示。在这个过程中，计算机(15)将记录探针(11)扫描过的原子数，并将此数与原子的直径相乘，最后将该乘积显示在计算机(15)的显示屏上。该乘积就为此次微观测量的测量值，再与前面的宏观测量值相加就为此次测量的测量结果。

Claims (5)

1.一种扫描隧道纳米级精度测量仪，主要由精密尺(1)、深度尺(2)、内外径尺(3)、卡尺(4)、外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)、外径卡(8)、内径卡(9)、绝缘体(10)、探针(11)、有序原子板(12)、电源(13)、开关(14)和计算机(15)组成，其特征是需要使用扫描隧道显微镜扫描原子的工作原理和计算机来记录有序原子板(12)上被扫描的原子数。

2.根据权利要求1所述的扫描隧道纳米级精度测量仪，其特征是：本发明的每次使用分宏观测量和微观测量两步，宏观测量的最小刻度是毫米或比毫米适当大的能用眼睛清晰识别的单位，微观测量的最小刻度为被扫描原子的单个原子直径，将两步的测量值相加就为此次的测量结果。

3.根据权利要求1或2所述的扫描隧道纳米级精度测量仪，其特征是：宏观测量由标有刻度的深度尺(2)、内外径尺(3)完成，其精度只能达到毫米；微观测量时需平移精密尺(1)，此时探针(11)将扫描有序原子板(12)上整齐均匀排列的原子，同时计算机(15)将记录被扫描原子的数目，并将该数与相应原子的直径相乘计算出精密尺(1)所平移的尺寸，其精度可达纳米。

4.根据权利要求1或2或3所述的扫描隧道纳米级精度测量仪，其特征是：所述的精密尺(1)上有用于微观测量的外径指针(5)、内经指针(6)、深度指针(7)和探针(11)；而精密尺(1)与探针(11)之间有绝缘体(10)，它的设计是为了让精密尺(1)不带电。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的扫描隧道纳米级精度测量仪，其特征是：所述的有序原子板(12)表面光滑平整，上面的原子排列整齐均匀，且该材料能导电。

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